EP2609296B1 - Procédé d'accrochage d'un blindage de rétention sur un carter d'une turbine et ensemble d'accrochage pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Procédé d'accrochage d'un blindage de rétention sur un carter d'une turbine et ensemble d'accrochage pour sa mise en oeuvre Download PDF

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EP2609296B1
EP2609296B1 EP11761656.5A EP11761656A EP2609296B1 EP 2609296 B1 EP2609296 B1 EP 2609296B1 EP 11761656 A EP11761656 A EP 11761656A EP 2609296 B1 EP2609296 B1 EP 2609296B1
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casing
shield
lugs
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assembly
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Carole Jaureguiberry
Jean-Maurice Casaux-Bic
Olivier Pierre Descubes
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Safran Helicopter Engines SAS
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    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49323—Assembling fluid flow directing devices, e.g., stators, diaphragms, nozzles

Definitions

  • the invention relates to a method of hanging armor on a motor structure casing of a turbine, in particular of a turbine mounted on an aircraft or of a land-based industrial turbine, as well as a set of attachment hooks. implementing such a process.
  • the field of the invention is more particularly that of the protection of engines, in particular of power turbines such as aircraft turbomachines.
  • the engine structure requires the presence of protective shielding to confine any part or element that can detach from the engine structure or the casing.
  • the free turbine shields achieve the retention of all the free turbine blades during an “blade-shedding” type event at overspeed.
  • the blades are in fact designed to rupture in a given speed range so as to guarantee the operability of the motor below a certain threshold and guarantee the integrity of the discs beyond this threshold.
  • Such shielding is generally embedded in the architecture of the crankcase and adjacent parts. It can be limited to a massive game.
  • the shield is fixed to the casing by numerous assembly flanges or the like.
  • an internal shield bathing in hot air is mounted between two casings.
  • an environment can limit the retention capacities of the shielding which will then require more substantial thicknesses.
  • the presence of an external casing results in a non-negligible additional mass.
  • Prior art includes documents US Patent 4648795 and EP-A1-0132182 .
  • the document US Patent 4648795 describes in particular the rigid mounting of a containment lining inside a casing of a turbine.
  • the invention aims to overcome the drawbacks of the technologies described above, and in particular to overcome the thermal inertia of the shielding which acts on the mechanical behavior of the parts of the engine structure. It also aims to minimize the mass of the shielding, while simplifying assembly without compromising the robustness of the shielding.
  • the invention provides a flexible attachment of the shield making it possible to produce a fuse section limiting the forces transmitted to the motor structure.
  • the subject of the invention is a method for attaching a retention shield to the outside of a casing of a motor structure of a turbine according to claim 1, consisting in coupling the shield tangentially. on the casing between points of the shielding and of the casing sufficiently distant as a function of the curvature of the shielding and of the casing between these points so as to produce a flexible coupling between them capable of providing a vibratory positioning and sufficient mechanical strength under thermomechanical loading.
  • the vibrational positioning and the mechanical strength are then also controlled under the maneuvers of the aircraft.
  • the invention also relates to a set of retention shielding and casing of a motor structure of a turbine according to claim 5, comprising connecting lugs between the casing and the shield with fixing points to the casing and the shield.
  • the fixing points are sufficiently distant as a function of the curvature of the shielding and the casing so that the connection is substantially tangential between the lugs on the one hand and the shielding or the casing on the other hand at the fixing points, and that the legs have a predetermined degree of flexibility.
  • the free turbine 10 comprises in particular an external shielding 15 and a casing 20 which constitutes the main structure of the engine and to which the elements forming the air stream are attached: the turbine distributors 22 and 26, the turbine rings 24 and 26b and the turbine wheels 25 and 30, via a bearing structure (not shown).
  • Each vane is composed of a fixed vane or stator "distributor" of air flow followed - in the direction of flow of air flows - a blade or moving wheel, and an outlet stream 40 for access to the nozzles (not shown).
  • two blades of annular sheet metal 60 and 62 are provided between the shield 15 and the casing 20 in order to dampen vibrations, for example during thermomechanical transitions. These blades are arranged in housings bordered by ribs 60a, 62a. Alternatively, these blades can be fixed to a flange or a link, for example on the flange 50 or the screw 53 in the example illustrated.
  • the spring blades dampen the vibrations between the shield and the casing in connection with the coupling tabs between them.
  • these blades can be axially split so as to effectively dissipate thermal energy and improve the robustness of the assembly in vibration.
  • a tangential tab 70 appears more precisely on the view of the figure 2 , in section II-II of the figure 1 , between a screw head 80 and the screw 82.
  • the screw is introduced into a threaded boss 90, welded into the skin 91 of the casing 20.
  • the threaded boss 90 can be replaced by a nut.
  • the screw head 80 is arranged in a manhole 84 formed in the shielding 15. The head 80 can therefore, during vibration, oscillate freely in manhole 84.
  • the tab 70 is first mounted, by a hole 73 formed at one of its ends 71a, on a non-threaded portion of the screw 82 and, at the other end, on a rivet 92 passing through the shielding 15.
  • the screw 82 is then entirely introduced into the stud 90 and the rivet 92 crushed.
  • the tab 70 is mounted substantially tangentially to the casing 20 and to the shield 15.
  • the tab 70 is slightly curved in an area 72 so that - near the rivet - its other end 71b comes against the face internal shield 15a 15.
  • the shield 15 is held substantially in place by the close positioning of the screw heads 80 in the manholes 84 of the shield. This close positioning also limits the passage of spare parts.
  • the blades spring 60, 62 ( figure 1 ) guarantee the radial retention of the shielding in the event of breakage of the connecting lugs.
  • the length of the legs 70 is a function of the similar curvature of the shielding and of the casing between screws and rivets to obtain tangential connections.
  • the dimensions of the legs are adjusted in width, length and thickness to be adapted to the calculation of the thermomechanical load to which they are subjected in order to limit the transmission of forces to the casing and therefore to the motor structure.
  • the connecting lugs 70 appear regularly distributed on the internal face 15a of the shield 15 as well as the rivets 92 for fixing these lugs on the shield 15.
  • the holes 73 for mounting the lugs 70 on the screws 82 ( figure 2 ) also appear. In this example, six tabs are thus provided for the entire shielding.
  • the number of legs can be greater so as to adapt the vibratory modes of the assembly and / or to guarantee the resistance to loads under flight maneuvers.
  • the number of legs can be a few tens, or even more, due to the large diameters of this type of turbine.
  • the section of the rivets can be dimensioned so that, during a blade failure, the forces transmitted to the motor structure are limited.
  • the tabs may have a general “V” or “W” shape in order to link two or three fixing rivets to the shielding, respectively, one or two fixing screws on the casing.

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Description

  • L'invention concerne un procédé d'accrochage de blindage sur un carter de structure moteur d'une turbine, en particulier d'une turbine montée sur un aéronef ou d'une turbine industrielle terrestre, ainsi qu'un ensemble d'accrochage de mise en œuvre d'un tel procédé.
  • Le domaine de l'invention est plus particulièrement celui de la protection des moteurs, en particulier de turbine de puissance telle que des turbomachines d'aéronefs. La structure moteur nécessite la présence d'un blindage de protection pour confiner toute pièce ou élément pouvant se détacher de la structure moteur ou du carter. En particulier, les blindages de turbine libre réalisent la rétention de toutes les pales de turbine libres lors d'un événement de type « blade-shedding » (rupture d'aube en langue anglaise) en survitesse. Les pales sont en effet conçues pour rompre dans une plage de vitesses donnée de manière à garantir l'opérabilité du moteur en dessous d'un certain seuil et garantir l'intégrité des disques au-delà de ce seuil.
  • Un tel blindage est en général imbriqué à l'architecture du carter moteur et des pièces adjacentes. Il peut se limiter à une partie massive. Le blindage est fixé au carter par de nombreuses brides d'assemblage ou équivalents.
  • Mais il apparaît que la durée de vie de ces brides de blindage peut être fortement limitée. En particulier, les différences d'inertie thermique et de raideur entre les brides et les pièces avoisinantes impactent le comportement des pièces en régimes de transition, c'est-à-dire en montée ou baisse de puissance.
  • Selon une autre architecture, un blindage interne baignant dans un air chaud est monté entre deux carters. Cependant, un tel environnement peut limiter les capacités de rétention du blindage qui nécessitera alors des épaisseurs plus conséquentes. De plus, la présence d'un carter externe se traduit par une masse supplémentaire non négligeable.
  • Dans ces architectures, les efforts sont transmis directement à la structure moteur. Une telle transmission peut provoquer un détachement progressif des fixations ainsi que des vibrations du blindage préjudiciable à la sécurité du vol.
  • Il existe par ailleurs des blindages fixés par vis en point haut positionnées par centrage à l'aide de pions pointant sur la vis. Ce montage nécessite un réglage précis et délicat à mettre en œuvre. De plus, la durée de vie des pions est aléatoire au regard des transitions vibratoires et autres phénomènes: « fretting » (glissement partiel en anglais), cisaillement,...
  • L'art antérieur comprend les documents US-A-4648795 et EP-A1-0132182 . Le document US-A-4648795 décrit notamment le montage rigide d'une garniture de confinement à l'intérieur d'un carter d'une turbine.
  • L'invention vise à pallier les inconvénients des technologies décrites ci dessus, et en particulier à s'affranchir de l'inertie thermique du blindage qui agit sur le comportement mécanique des pièces de la structure moteur. Elle vise également à minimiser la masse du blindage, tout en simplifiant le montage sans nuire à la robustesse du blindage.
  • Pour ce faire, l'invention prévoit une fixation souple du blindage permettant de réaliser une section fusible limitant les efforts transmis à la structure moteur.
  • Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé d'accrochage d'un blindage de rétention à l'extérieur d'un carter d'une structure moteur d'une turbine selon la revendication 1, consistant à coupler par liaison tangentielle le blindage sur le carter entre des points du blindage et du carter suffisamment éloignés en fonction de la courbure du blindage et du carter entre ces points de sorte à réaliser un couplage souple entre eux apte à fournir un positionnement vibratoire et une tenue mécanique suffisante sous chargement thermomécanique. Dans le cas de turbines d'aéronef, le positionnement vibratoire et la tenue mécanique sont alors également maîtrisés sous manœuvres de l'aéronef.
  • Dans ces conditions, il apparaît que le blindage est suffisamment proche du carter pour que ce dernier contribue avantageusement à la rétention des débris ou des fragments de pièces éjectés. Le blindage externe reste suffisamment froid pour garantir la rétention de ces pièces avec des épaisseurs relativement plus faibles.
  • Cette architecture permet ainsi une isolation thermique et mécanique du blindage au regard des pièces de la structure moteur sous carter qui peuvent être sollicitées en fatigue thermomécanique. De plus, la souplesse générée permet de s'affranchir d'un dispositif de réglage entre le blindage et le carter.
  • Selon des modes de mise en œuvre particuliers :
    • un amortissement en vibration est également assuré via des lames ressort annulaires disposées entre le blindage et le carter ;
    • un dimensionnement des liaisons est déterminé en fonction de la charge thermomécanique à laquelle les liaisons sont soumises ;
    • le nombre de liaisons est déterminé et les liaisons réparties de sorte à minimiser les efforts résultant des transitoires thermomécanique et optimiser ainsi la durée de vie de l'accrochage au regard des cas de charge auxquels le moteur est soumis et du positionnement vibratoire de l'ensemble blindage et carter, en particulier dans la zone des basses fréquences d'excitation.
  • Pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, l'invention se rapporte également à un ensemble de blindage de rétention et de carter d'une structure moteur d'une turbine selon la revendication 5, comportant des pattes de liaison entre le carter et le blindage avec des points de fixation au carter et au blindage. Dans cet ensemble, les points de fixation sont suffisamment éloignés en fonction de la courbure du blindage et du carter pour que la liaison soit sensiblement tangentielle entre les pattes d'une part et le blindage ou le carter d'autre part aux points de fixation, et que les pattes présentent un degré de souplesse prédéterminé.
  • Selon des modes de réalisation particuliers :
    • des lames ressort aptes à amortir des vibrations sont prévues de manière annulaire entre le blindage et le carter ;
    • il est prévu au moins un point de fixation sur le blindage et au moins un point de fixation sur le carter par patte ;
    • la fixation des pattes sur le carter est réalisée par des vis dans des bossages de rigidification soudés dans la peau du carter, les vis présentant des têtes aptes à se déplacer dans des regards formés dans le blindage ;
    • la fixation des pattes au blindage est réalisée par des rivets traversant le blindage ;
    • l'ensemble d'accrochage comporte un nombre de pattes de liaison adapté au dimensionnement, les pattes étant réparties régulièrement et de manière annulaire entre le carter et le blindage et chaque patte étant fixée par une vis au carter et un rivet au blindage.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'exemples de réalisation ci-après, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
    • la figure 1, une demi - vue en coupe partielle le long de l'axe longitudinale d'une turbine libre muni d'un ensemble d'accrochage conforme à l'invention ;
    • la figure 2, une vue partielle selon un plan II-II de la vue précédente, mettant en évidence la position d'une patte de l'ensemble d'accrochage conforme à l'invention, et
    • la figure 3, une vue perspective partielle du blindage muni de pattes d'accrochage selon l'invention.
  • En référence à la vue en coupe partielle de la figure 1, la turbine libre 10 comporte en particulier un blindage externe 15 et un carter 20 qui constitue la structure principale du moteur et auquel viennent se rattacher les éléments formant la veine d'air : les distributeurs de turbine 22 et 26, les anneaux de turbine 24 et 26b et les roues de turbine 25 et 30, via une structure de palier (non représentée). Chaque aubage est composé d'un aubage fixe ou stator « distributeur » de flux d'air suivi - dans le sens de l'écoulement des flux d'air - d'un aubage ou roue mobile, et d'une veine de sortie 40 d'accès aux tuyères (non représentées).
  • Les différentes étanchéités sont assurées par des brides ou des joints 50, 52, et 54 entre différentes pièces voisines du carter 20 lui-même en liaison avec le blindage 15.
  • Par ailleurs, deux lames de tôle ressort annulaires 60 et 62 sont prévues entre le blindage 15 et le carter 20 afin d'amortir les vibrations, par exemple lors de transitions thermomécaniques. Ces lames sont agencées dans des logements bordés par des nervures 60a, 62a. Alternativement, ces lames peuvent être fixées à une bride ou un lien, par exemple sur la bride 50 ou la vis 53 dans l'exemple illustré.
  • Les lames ressort amortissent les vibrations entre le blindage et le carter en liaison avec les pattes de couplage entre eux. Avantageusement, ces lames peuvent être axialement fendues de manière à dissiper efficacement l'énergie thermique et améliorer la robustesse de l'ensemble en vibration.
  • Une patte tangentielle 70 apparaît plus précisément sur la vue de la figure 2, en coupe II-II de la figure 1, entre une tête de vis 80 et la vis 82. La vis est introduite dans un bossage taraudé 90, soudé dans la peau 91 du carter 20. Alternativement, le bossage taraudé 90 peut être remplacé par un écrou. La tête de vis 80 est agencée dans un regard 84 formé dans le blindage 15. La tête 80 peut donc, lors de vibration, osciller librement dans le regard 84.
  • La patte 70 est d'abord montée, par un trou 73 formé à l'une de ses extrémités 71a, sur une portion non filetée de la vis 82 et, à l'autre extrémité, sur un rivet 92 traversant le blindage 15. La vis 82 est ensuite entièrement introduite dans le plot 90 et le rivet 92 écrasé. Dans ces conditions, la patte 70 est montée sensiblement tangentiellement au carter 20 et au blindage 15. Pour ce faire, la patte 70 est légèrement courbée dans une zone 72 si bien que - à proximité du rivet - son autre extrémité 71b vienne contre la face interne 15a du blindage 15.
  • En cas de rupture des pattes 70, le blindage 15 est maintenu sensiblement en place par le positionnement rapproché des têtes de vis 80 dans les regards 84 du blindage. Ce positionnement rapproché limite également le passage des pièces détachées. De plus, les lames ressort 60, 62 (figure 1) garantissent le maintien radial du blindage en cas de rupture des pattes de liaison.
  • La longueur des pattes 70, et donc la distance entre les vis 82 et les rivets 92, est fonction de la courbure semblable du blindage et du carter entre vis et rivets pour obtenir des liaisons tangentielles. Les dimensions des pattes sont réglées en largeur, longueur et épaisseur pour être adaptées au calcul de la charge thermomécanique à laquelle elles sont soumises pour limiter la transmission des efforts au carter et donc à la structure moteur.
  • Sur la vue perspective partielle de la figure 3 d'un demi-blindage 15, les pattes de liaison 70 apparaissent régulièrement réparties sur la face interne 15a du blindage 15 ainsi que les rivets 92 de fixation de ces pattes sur le blindage 15. Les trous 73 de montage des pattes 70 sur les vis 82 (figure 2) apparaissent également. Dans cet exemple, six pattes sont ainsi prévues pour l'ensemble du blindage.
  • L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, le nombre de pattes peut être plus important de manière à adapter les modes vibratoires de l'ensemble et/ou pour garantir la tenue aux charges sous les manœuvres de vol. En particulier pour des turbines industrielles terrestres, le nombre de pattes peut être de quelques dizaines, voire plus, du fait des diamètres élevés de ce type de turbine.
  • Par ailleurs, la section des rivets peut être dimensionnée pour que, lors d'une rupture d'aube, les efforts transmis à la structure moteur soient limités. Les pattes peuvent avoir une forme générale en « V » ou en « W » afin de lier deux ou trois rivets de fixation au blindage à, respectivement, une ou deux vis de fixation sur le carter.

Claims (10)

  1. Procédé d'accrochage d'un blindage (15) de rétention à l'extérieur d'un carter (20) d'une structure moteur (30) d'une turbine (10), le procédé comprenant une étape consistant à coupler le blindage (15) à l'extérieur du carter (20) par des pattes de liaison (70) orientées chacune dans une direction circonférentielle entre des points de fixation (82, 92) au blindage (15) et au carter (20) suffisamment éloignés en fonction de la courbure du blindage (15) et du carter (20) entre ces points de fixation (82, 92), chaque patte de liaison (70) étant fixée sensiblement tangentiellement au blindage (15) et au carter (20) de sorte à réaliser un couplage souple entre eux apte à fournir un positionnement vibratoire et une tenue mécanique suffisante sous chargement thermomécanique.
  2. Procédé d'accrochage selon la revendication 1, dans lequel un amortissement en vibration est également assuré via des lames ressort annulaires (60, 62) disposées entre le blindage (15) et le carter (20).
  3. Procédé d'accrochage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel un dimensionnement des pattes de liaison (70) est déterminé en fonction de la charge thermomécanique à laquelle les pattes de liaison (70) sont soumises.
  4. Procédé d'accrochage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre de pattes de liaison (70) est déterminé et les pattes de liaison (70) réparties de sorte à minimiser les efforts résultant des transitoires thermomécaniques.
  5. Ensemble de blindage (15) de rétention et de carter (20) d'une structure moteur (30) d'une turbine (10) pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, l'ensemble comportant un carter (20) et un blindage (15) de rétention couplé au carter (20) par des pattes de liaison (70) entre le carter (20) et le blindage (15) avec des points de fixation (82, 92) au carter (20) et au blindage (15), les points de fixation (82, 92) étant suffisamment éloignés en fonction de la courbure du blindage (15) et du carter (20) pour que chaque patte de liaison (70) soit fixée sensiblement tangentiellement au blindage (15) et au carter (20) aux points de fixation (82, 92), caractérisé en ce que le blindage (15) de rétention est couplé à l'extérieur du carter (20) par les pattes de liaison (70), et en ce que les pattes de liaison (70) sont orientées chacune dans une direction circonférentielle entre les points de fixation (82, 92) et présentent un degré de souplesse prédéterminé.
  6. Ensemble selon la revendication précédente pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 2, dans lequel des lames ressort (60, 62) aptes à amortir des vibrations sont prévues de manière annulaire entre le blindage (15) et le carter (20).
  7. Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel les lames ressort (60, 62) sont fendues axialement.
  8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel il est prévu au moins un point de fixation (92) sur le blindage (15) et au moins un point de fixation (82) sur le carter (20) par patte de liaison (70).
  9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la fixation des pattes de liaison (70) sur le carter (20) est réalisée par des vis (82) dans des bossages (90) soudés dans la peau (91) du carter (20), les vis (82) présentant des têtes (80) aptes à se déplacer dans des regards (84) formés dans le blindage (15).
  10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel la fixation des pattes de liaison (70) au blindage (15) est réalisée par des rivets (92) traversant le blindage (15).
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